JPH068888B2

JPH068888B2 - 高速増殖炉

Info

Publication number: JPH068888B2
Application number: JP59176630A
Authority: JP
Inventors: 忠後藤; 寿山本; 正剛山川; 洋二柴田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1984-08-27
Filing date: 1984-08-27
Publication date: 1994-02-02
Anticipated expiration: 2009-02-02
Also published as: DE3567550D1; JPS6154495A; EP0176705A2; EP0176705A3; EP0176705B1

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は高速増殖炉の原子炉構造に関する。

〔発明の背景〕

液体金属、特にナトリウムを冷却材とした高速増殖炉
（ＦＢＲ）の炉型にはループタイプとタンクタイプがあ
る。いずれも、核分裂で発生する炉心の熱を直接冷却す
る１次冷却系と、中間熱交換器を介して炉外に熱を輸送
する２次冷却系、さらにタービン発電機を駆動する過熱
蒸気を得る蒸気発生器、および水・蒸気系等の冷却系で
構成されている。

ループタイプはこれらの冷却系および各コンポーネント
を配管で接続してシステムを構成する。これに対して、
タンクタイプは炉心、１次系ポンプ中間熱交換器等の１
次冷却系機器を大きなタンク内に納め、炉心を直接冷却
する１次系の冷却材はこのタンク内を循環して中間熱交
換器２次側から炉外へ熱を伝送するシステムである。本
発明は、後者のタンクタイプに適用するとより効果的で
あるため、タンクタイプのＦＢＲを例に主に記述する。

第８図は、仏国の“Super Phenix”炉を例に示したシス
テム全体図である。炉心１、１次系ポンプ２、および中
間熱交換器３等の１次系機器をタンク炉主容器４内に納
め１次冷却系５を構成し、中間熱交換器３の２次側には
２次系ポンプ６、蒸気発生器７等で構成した２次冷却系
８が接続され、蒸気発生器７の２次側には給水ポンプ
９、ダービン１０、発電機１１および復水器１２等で構
成された水・蒸気系１３が接続され、ＦＢＲ全体の冷却
系を構成している。通常、熱交換効率、プラント制御制
等の観点から、２次系以降タービンまでの冷却系を複数
ループに分割されている。Super Phenixの場合、中間熱
交換器３の８基に対して２次系８及び水・蒸気系１３が
４ループで構成されている。

１次冷却系５と水・蒸気系１３の間に２次冷却系８を設
ける最大は理由は炉心１において高速中性子を吸収して
放射化されたナトリウムによる外部への被爆を防ぐため
一旦中間熱交換器３を介して２次冷却系８内の非放射性
のナトリウムに熱伝達した後蒸気発生器７側へ熱輸送
し、１次冷却系５内の放射化されたナトリウムが主容器
４外へ出ないようにする安全性の配慮からである。

第９図は上述した１次冷却系５の構造図である。タンク
炉主容器４内に１次冷却系５が全て納まつている。ほぼ
中心に炉心１があり炉心１の下部に高圧プレナム室１９
が存在し、１次系ポンプ２の出口配管２Ａがこの高圧プ
レナム室１９に接続されている。タンク炉主容器４を隔
壁構造２０で上部プレナム部１７と下部プレナム部１８
とに分割し、中間熱交換器３はこの隔壁構造２０を貫通
して配置されている。炉心１の直上には燃料交換、制御
棒等の駆動機構を有する炉上部機構１６がある。タンク
炉主容器４の頂部にはルーフスラブ１４とよばれるふた
を設けてあり、前述の中間熱交換器３、炉上部機構１６
及び１次系ポンプ２等のコンポーネントを吊下げるよう
に支持している。ルーフスラブ１４の下面には、高温ナ
トリウムからの輻射熱を防ぐため熱しやへい板を設けて
ある。これらの構成は、Super Phenix及び特開昭４９−
125797記載の基本的構造である。

1200ＭＷｅ級のSuper Phenixの場合、タンク炉直径が約
２１ｍであり、周囲に８基の中間熱交換器３と４基の機
械式の１次系ポンプ２が配置されている。このように構
成された原子炉構造において、１次冷却系５内のナトリ
ウムは、炉心１で加熱され、上部プレナム１７で中間熱
交換器３に入り、２次冷却系８内のナトリウムに熱を受
け渡した後下部プレナム１８に放出される。１次系ポン
プ２の吸入部がこの下部プレナム１８内に開放されてい
て前述の如く熱を受け渡した結果、底温となつたナトリ
ウムを矢印ａの如く導入し、再び高温プレナム室１９に
矢印ｂの如く圧送される。したがつて１次系ナトリウム
はこのようにタンク炉主容器４内を加熱、冷却をくり返
しながら循環する。この間１次冷却系内のナトリウムは
放射化され、半減期の長い^２２Ｎａが蓄積されるため補
修・点検が困難な状態になつてくる。したがつてＦＢＲ
の１次冷却系内の機器は高い信頼性が要求される。とこ
ろが、機械式ポンプは回転機器であり熱変形、振動等に
最も弱い故障率の最も高いポテンシヤルを秘めた機器で
ある。最近仏国でこの機械式ポンプに代つて電磁ポンプ
を導入する具体的検討がされている。（1984．４第３
回液体金属技術国際会議で発表）電磁ポンプを１次冷却
系５内に組込んだ場合、ポンプの機械的故障率は低下す
るが、電磁ポンプの使用環境が高温ナトリウムの液深中
であるため、新たな問題として励磁コイル、及び、給電
用電線等の電気的耐久性、絶縁体の耐ナトリウム性等が
発生する。さらには、前述の具体的検討内容によれば、
中間熱交換器と電磁ポンプとを直列に結合したにすぎな
いからその直列方向のスペースフアクターは良くなく、
直列方向の長さが長くなりすぎて大型なＦＢＲ主容器に
なる傾向に見受けられる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、スペースフアクターが良く信頼性の高
いＦＢＲ原子炉構造を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、高速増殖炉の１次冷却系と２次冷却系との両
冷却系内の各液体金属の内、一方の系内の液体金属を１
次流体として、他方の系内の液体金属を２次流体として
導入する中間交換器を備え、前記２次冷却系に２次冷却
系内の液体金属を流動させるポンプを備えた高速増殖炉
において、前記中間熱交換器を、磁界発生装置と、前記
磁界発生装置によつて発生した磁束を横切る方向に流路
方向を定めて作つた流路と、前記流路と導電性の伝熱板
で仕切つて構成した１次冷却系流路と２次冷却系流路と
で構成し、前記１次冷却系流路を前記１次冷却系内に組
み込み、前記２次冷却系流路を前記２次冷却系内に組み
込んだことを特徴とした高速増殖炉である。

〔発明の実施例〕

第１図，第２図に示す本発明の第１実施例によりＦＢＲ
原子炉構造は以下の通りである。

タンク型主容器４はループスラブ１４によつてふたがさ
れる。このループスラブ１４に支持された炉上部機構１
６の下方には炉心１が配置される。この炉心１主容器４
に取り付いた隔壁２０によつて支持される。この隔壁２
０は主容器４内を上部プレナム１７と下部プレナム１８
と分けている。この下部プレナム１８内において、炉心
１と流体的に連通する高圧プレナム室１９が形成されて
いる。

上部プレナム１７内においては、炉上部機構１６を囲う
ように環状の電磁フローカプラ型中間熱交換器２１が形
成される。

この電磁フローカプラ型中間熱交換器２１の構造は次の
通りである。即ち、ナトリウムに対して耐久性の有るス
テンレス板によつて表面が被覆された円筒状の内側磁石
２４と、この内側磁石２４の外側を囲うように配置され
ており、ステンレス板で被覆された円筒状の外側磁石２
３とを有する。これら両磁石２３，２４は、配置する際
に当つて、両磁石２３，２４との間に生じた環状のスペ
ースを磁束が横切る方向となるように極性を合せる。両
磁石２３，２４ともに、高温ナトリウム液中において使
用されるから、磁性の高温特性の良い物、例えばキユウ
リー点の高い磁性材料を用いる。又、両磁石２３，２４
ともに、アルニコＶ等の永久磁石であるが、この磁石の
磁性材としは、先に述べた如くできるだけ高温特性の良
い物が選択される。これら、両磁石２３，２４により磁
界発生装置が構成される。両磁石２３，２４との間に生
じた環状のスペース内には、導電性を有し、ナトリウム
に対する耐久性の有るステンレス板が第２図に示す如く
波形に加工された状態で伝熱板３０として配置される。
この伝熱板３０の両端は互いに溶接されるとともに、部
分的に両磁石２３，２４を被覆しているステンレス板に
溶接されている。この伝熱板３０を備えることにより、
両磁石２３，２４間に生じた環状のスペースは、内側磁
石２４方向に面した１次冷却系流路３１と、外側磁石２
３方向に面した２次冷却系流路３２とに分けられること
に成る。２次冷却系流路３２に流体的に連通され、１次
冷却系流路３１とは遮断して設けた入口配管２６は、ル
ーフスラブ１４を通り抜けてリング状の曲管である入口
ヘツダ管２９に連通接続される。又２次冷却系流路３２
に流体的に連通され、１次冷却系流路３１とは遮断して
設けた出口配管２７はルーフスラブ１４を通り抜けてリ
ング状の曲管である出口ヘツダ管２８に連通接続され
る。上部プレナム１７において、開口された入口２５は
１次と２次の各冷却系流路３１，３２の内、１次冷却系
流路３１にのみ流体的に連通している。１次流体出口配
管２２は上部が、１次，２次の各冷却系流路３１，３２
の内、１次冷却系流路３１にのみ流体的に連通して、下
部が高圧プレナム室１９内に連通接続される。以上が電
磁フローカプラ型中間熱交換器２１の構造である。

入口ヘツダ管２９には２次冷却系配管２９ａの一端が、
出口ヘツダ管２８には同じく２次冷却系配管２８ａの一
端が接続される。配管２９ａの他端は２次冷却系８のポ
ンプ６の吐出口側に接続され、配管２８ａの他端は蒸気
発生器７へ接続される。２次冷却系８と水・蒸気系１３
は従来例と同じ構成であつて、第１図中には従来例と同
じ部品には従来と同じ符号を付けてある。

以上の構造のＥＢＲ原子炉において、ポンプ６によるポ
ンプ力で２次冷却系８内のナトリウム液を循環させる
と、２次冷却系８内のナトリウム液は２９ａから入口ヘ
ツダ管２９内に入り、各入口配管２６へ分流して流れ込
み、伝熱板３０に沿つて２次冷却流路３２内を上昇し、
各出口配管２７へ流れ出て出口ヘツダ管２８内で合流し
配管２８ａを通つて蒸気発生器７内へ送られ、再度ポン
プ６に吸引されて循環する。この２次冷却系８内のナト
リウム液の循環が生じると、２次冷却系８のナトリウム
液が２次冷却系流路３２を上昇する時に、１次冷却系流
路３１内のナトリウム液に下方への流動力を与える作用
を誘発する。この作用は後述にて詳細に説明する。この
為、主容器４内における上部プレナム１７中のナトリウ
ム液は入口２５から１次冷却系流路３１内を下方へ流動
して１次流体出口配管２２内を通つて高圧プレナム室１
９内に吐出され、炉心１を通過して加熱された上部プレ
ナム１７内へ戻される。そして、主容器４内のナトリウ
ム液と２次冷却系８内のナトリウム液とが伝熱板３０に
接して互いに逆方向に流動する際、伝熱板３０を介して
主容器４内のナトリウム液から２次冷却系８内のナトリ
ウム液が熱を受け取り蒸気発生器７へ熱を輸送する。輸
送されて来た熱は水・蒸気系１３によつて蒸気発生の為
に費やされて、発電機１１のタービン１０を回転するエ
ネルギーに使用される。

次に１次冷却系流路３１内のナトリウム液に流動力を与
える作用を以下に説明する。

第３図は電流フローカツプラの動作原理を図示したもの
で、両磁石２３，２４による共通な磁束（Ｂ）内に主容
器４と２次冷却系のナトリウム液が導電体として存在し
外力により一方の導電体（２次冷却系のナトリウム液）
に例えばポンプ６の力(Ｆ)を与えると、導電体（２次冷
却系のナトリウム液）に磁束(Ｂ)と力(Ｆ)とにそれぞれ
直角方向に電流(Ｉ)が発生する。この現象はフレミング
の右手の法則による発電部に相当するものである。一方
電流(Ｉ)を受けた他方の導電体（１次冷却系流路３１内
のナトリウム液）は同じ磁束(Ｂ)を受けると今度はフレ
ミングの左手の法則に従つた電動作用が働き（Ｂ），
（Ｉ）とにそれぞれ直角方向に力（Ｐ）が誘起される。
よつて同一磁束(Ｂ)内に存在する２流路内の各導電体の
他方には結果的にポンプによる駆動力の方向と反対方向
の反力力（Ｐ）なる流動力として発生することになる。

この原理に基づく、電磁フローカツプラ型中間熱交換器
の動作原理を説明したのが第４図である。

第３図に示した互いに対向する複数の流路を導電性で波
形の伝熱板３０にて交互に円周状に配列することによつ
て連続した環状電流３４〔第３図中の（Ｉ）に相当する
もの〕の回路が成立する。共通な磁束３３〔第３図中の
（Ｂ）に相当するもの〕は円筒の外側磁石２３と内側磁
石２４を設け両磁石間に形成される環状空間を半径方向
に向いている。この環状空間部分に前述の環状電流３４
の流れる回路を一致させることによつて第３図の原理図
が連続的に成立した。電磁フローカツプラが成り立つ。
さらにこの電磁フローカツプラを中間熱交換器として成
立させるためには熱交換量に必要な伝熱面積が必要とさ
れる。そのためには、前述した駆動力とポンプ力流路の
境界壁を伝熱面と共用させるため軸方向に有効な長さが
必要となる。第４図では軸方向に数段の磁石２３ａ，２
３ｂ，２４ａ，２４ｂを設けてある。実施例では３段式
を採用しているが、各段の磁極方向はＮ−Ｓ，Ｓ−Ｎ，
Ｎ−Ｓの順に配列することによつて、磁気が打ち消され
ることはない。したがつて、各段の接合部分で正負最大
の磁束３３が発生する。

第４図においてポンプ６で駆動されたＦＢＲ２次冷却系
のナトリウム液３５を下方から２次冷却系流路３２に注
入し、上昇流とすることによつて両磁石２３，３４で囲
われた環状流路の部分に環状電流３４が発生する。この
環状電流３４の大きさと方向は、磁石各段接合部分で互
に逆方向となり最大の電流値が発生する。そして波形伝
熱板３０を介して隣接している１次冷却系流路３１内の
ナトリウム液３６にはこの環状電流３４と磁束３３を受
けて下降流れ方向の力が誘起する。磁石各段接合部分の
互に逆方向の磁束と電流は相対的に同一方向の力をナト
リウム液３６に与える。したがつて電磁カツプラの作用
域は、全長、全半径の伝熱面で作用し、全ての力が合成
され大きなナトリウム液３６を下降させる力を発生す
る。

このように本発明の第１実施例によれば、ＦＢＲの１次
冷却系のナトリウム液の駆動力を得るため可動部品の機
械あるいは電気部品、電力供給部品を一切必要としない
静的な電磁フローカツプラ型を用いるため、ＦＢＲプラ
ントの信頼性は著しく向上する。

また、電磁フローカツプラのカツプリング部分と熱交換
器の伝熱面領域とが全て一致して共用できるため、スペ
ースフアクターが著しく向上し、ＦＢＲ１次系システム
の小型化につながり、同じ出力を得るタンク炉主容器の
直径を約７３％にする小型化に成功した。したがつて、
全体的には大巾な建設コストダウンの効果がある。

第１図および第２図に示した実施例ではタンク炉主容器
の内壁全周に１巡の電磁フローカツプラ型中間熱交換器
を１基設ける構造を示したが、外の変形例としては、第
５図に示す本発明の第２実施例のように、数基の小型電
磁フローカツプラ型中間熱交換器４０を炉心１を中心に
配置し、各電磁フローカツプラ型中間熱交換器４０の１
次側出口配管４１を高圧プレナム室１９に接続する。本
変形例は実施例に比べタンク炉主容器４の直径を小さく
する効果は少ない。

第６図は第５図に示した電磁フローカツプラ型中間熱交
換器４０のたて断面構造を示したものである。第７図は
そのよこ断面構造を示したものである。

中心部に２次冷却系入口管４２を設け、これを通つた２
次冷却系のナトリウム液は下部で点線矢印の如く折返し
上昇流となり、２次冷却系出口管４３から２次冷却系８
へ流出する。胴体４４の上部に設けた開口の１次冷却系
ナトリウム液の入口４５から上部プレナム１７の１次冷
却系のナトリウム液が流入し、実線矢印の如く下部の１
次冷却系出口配管４１から流出する。永久磁石として、
胴の内・外周に内側磁石４６外側磁石４７を設け、さら
に軸方向に数段の配置にて磁石を設けて磁気回路を構成
する。各磁石４６，４７で囲われた環状の流路部は波形
のステンレス製伝熱板４８を設け上昇流の２次冷却系流
路４９と下降流の１次冷却系流路５を型成し、１次冷却
系流路の駆動源になる第７図中の環状電流５１は環状流
路と同軸に発生する。

以上説明した第５図，第６図，第７図の例においても、
中間熱交換器４０が熱交換機能と１次冷却系のポンプ機
能とをはたすので１次冷却系ポンプを省略することがで
きるため第１実施例と同じようにシステムの信頼性は著
しく向上すると共に両機能をスペースフアクター良くま
とめることができる効果がある。

以上説明したように各実施例によれば、タンク炉内の１
次系ポンプを省略することができるため、機械磨耗、振
動、あるいは熱変形等による機械的故障、又は、絶縁破
壊等による電気的故障の要因は全て無くなり、システム
の信頼性は著しく向上する。また、中間熱交換器の伝熱
面と電磁カツプラの作用面が共用一致させることができ
るため、スペースフアクターが向上する。

この他、流量の制御は２次系流量制御で同時に行なわれ
るため、プラント全体の制御特性も向上する利点があ
る。

〔発明の効果〕

以上の如く、本発明によれば、熱交換作用と非機械的ポ
ンプ作用とを同一機器によつて達成できるのでスペース
フアクターが良くなると同時に機械的ポンプが不用とな
るので信頼性の高い高速増殖炉が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例によるＦＢＲ原子炉の縦断
面とその冷却系を示す全体図、第２図は第１図のＡ−Ａ
断面にして前後対称につき半分だけを示した図、第３図
は第１図に示した電磁フローカプラ型中間熱交換器にお
ける磁束とポンプ力と電流とのベクトル関係図、第４図
は同じく第３図の原理を第１図の実体に合せて示した
図、第５図は本発明の第２実施例によるＦＢＲ原子炉の
主容器縦断面図、第６図は第５図に示した中間熱交換器
の縦断面図、第７図は第６図のＢ−Ｂ断面図、第８図は
従来のＦＢＲ原子炉の冷却系統図、第９図は従来のＦＢ
Ｒ原子炉主容器の縦断面図である。１…炉心、４…タンク炉主容器、１６…炉上部機構、１
７…上部プレナム、１８…下部プレナム、１９…高圧プ
レナム室、２１，４０…電磁フローカプラ型中間熱交換
器、２２，４１…１次冷却系出口配管、２３，４７…外
側磁石、２４，４６…内側磁石、２５，４５…入口、２
６，４２…２次冷却系入口配管、２７，４３…２次冷却
系出口配管、３０，４８…伝熱板、３１，５０…１次冷
却系流路、３２，４９…２次冷却系流路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者柴田洋二茨城県日立市幸町３丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (56)参考文献特開昭55−52992（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一次冷却材が高圧プレナムから炉心を経て
中間熱交換器経由で前記高圧プレナムへ循環する一次冷
却系と、前記一次冷却系を格納する主容器と、前記中間
熱交換器に二次冷却材を通して前記一次冷却材との間で
熱交換を成す二次冷却系と、前記二次冷却系の二次冷却
材を駆動するポンプとを備えている高速増殖炉におい
て、前記中間熱交換器は、前記主容器内に装備された水
平断面環状の流路と、前記環状流路の水平方向を一次流
路と二次流路と交互に仕切る導電性材料による伝熱板
と、前記環状流路の環状の半径方向へ磁界が放射される
向きにして前記環状流路沿いに装備された磁界発生装置
とから成り、前記一次流路は前記一次冷却系の一次冷却
材循環経路の途中に、前記二次流路は前記二次冷却系の
二次冷却材の流路途中にそれぞれ装備されていることを
特徴とした高速増殖炉。
【請求項２】特許請求の範囲の第１項において、磁界発
生装置は円筒の内側磁石と前記内側磁石の外周に円筒状
の外側磁石を配置し、前記内側磁石と前記外側磁石とで
形成される環状の空間を前記環状流路の領域とし、前記
環状空間を貫通し前記両磁石間に磁界が発生するように
磁気回路を構成したことを特徴とした高速増殖炉。
【請求項３】特許請求の範囲の第２項において、前記内
側磁石と外側磁石とは永久磁石であることを特徴とした
高速増殖炉。
【請求項４】特許請求の範囲の第１項又は第２項又は第
３項において、前記環状流路は、前記主容器の上下方向
に延びる中心線を囲う環状に配置したことを特徴とした
高速増殖炉。